CN117674592A - 电源转换器 - Google Patents

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Abstract

一种电源转换器，包含上桥开关、下桥开关、下桥驱动器、负载侦测器、可调式电压调节器及上桥驱动器。所述下桥驱动器产生下桥驱动信号来控制所述下桥开关。所述负载侦测器产生指示输出。所述可调式电压调节器接收所述指示输出，并且根据所述指示输出产生调节电压。所述上桥驱动器接收所述调节电压及输入电压，并且产生上桥驱动信号来控制所述上桥开关。借此，所述电源转换器在轻载时能具有较小的开关切换损失、较少的热能产生及较高的转换效率。

Description

电源转换器
技术领域
本发明涉及一种电源转换器，特别是涉及一种用于进行升降压转换的电源转换器。
背景技术
参阅图1，一个现有的电源转换器91与一个电感92一起使用以进行升降压转换，从而将一个输入电压VIN转换成一个输出电压VNEG。输入电压VIN具有正的幅值。输出电压VNEG具有负的幅值，并且被供应给一个负载93。现有的电源转换器91包括一个上桥开关911、一个下桥开关912、一个下桥驱动器913、一个固定式电压调节器914及一个上桥驱动器915。下桥驱动器913产生在输出电压VNEG与一个电压VA间切换的一个下桥驱动信号Vgn，来控制下桥开关912在不导通与导通间的切换。电压VA的幅值大于输出电压VNEG的幅值。固定式电压调节器914产生一个调节电压Vhs_reg。调节电压Vhs_reg的幅值固定，并且小于输入电压VIN的幅值。上桥驱动器915产生在输入电压VIN与调节电压Vhs_reg间切换的一个上桥驱动信号Vgp，来控制上桥开关911在不导通与导通间的切换。现有的电源转换器91在轻载时的缺点是具有较大的开关切换损失、较多的热能产生及较低的转换效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电源转换器。所述电源转换器能够克服背景技术的至少一个缺点。
本发明电源转换器包含上桥开关、下桥开关、下桥驱动器、负载侦测器、可调式电压调节器及上桥驱动器。所述上桥开关具有第一端、第二端及控制端。所述上桥开关的第一端接收输入电压。所述上桥开关的第二端适用于电连接到电感。所述上桥开关的控制端接收上桥驱动信号。所述下桥开关具有第一端、第二端及控制端。所述下桥开关的第一端电连接到所述上桥开关的第二端。所述下桥开关的第二端适用于电连接到负载，并且提供输出电压。所述下桥开关的控制端接收下桥驱动信号。所述下桥驱动器电连接到所述下桥开关的控制端，并且产生所述下桥驱动信号给所述下桥开关的控制端接收。所述负载侦测器产生指示输出。所述可调式电压调节器电连接到所述负载侦测器以接收所述指示输出，并且根据所述指示输出产生调节电压。所述上桥驱动器电连接到所述可调式电压调节器以接收所述调节电压，还电连接到所述上桥开关的所述控制端，还接收所述输入电压，并且产生所述上桥驱动信号。
本发明电源转换器中，所述可调式电压调节器还电连接到所述下桥开关的第二端以接收所述输出电压，并且还接收所述输入电压及参考电压。
本发明电源转换器中，当所述指示输出指示所述电源转换器轻载时，所述调节电压的幅值等于所述参考电压的幅值。当所述指示输出指示所述电源转换器重载时，所述调节电压的幅值小于所述参考电压的幅值并且大于所述输出电压的幅值。
本发明电源转换器中，所述指示输出包括指示信号及反相指示信号，并且所述可调式电压调节器包括第一电阻、第二电阻、第一晶体管、第二晶体管、电流源、第一开关及第二开关。所述第一电阻具有第一端及第二端。所述第一电阻的第一端接收所述输入电压。所述第二电阻具有第一端及第二端。所述第二电阻的第一端接收所述输入电压。所述第一晶体管具有第一端、第二端及控制端。所述第一晶体管的第一端电连接到所述第一电阻的第二端。所述第一晶体管的控制端电连接到所述第一晶体管的第二端。所述第二晶体管具有第一端、第二端及控制端。所述第二晶体管的第一端电连接到所述第二电阻的第二端。所述第二晶体管的控制端电连接到所述第一晶体管的控制端。所述电流源电连接在所述第一晶体管的第二端与所述第二晶体管的第二端间。所述第一开关具有第一端、第二端及控制端。所述第一开关的第一端电连接到所述第二晶体管的第二端。所述第一开关的第二端接收所述参考电压。所述第一开关的控制端电连接到所述负载侦测器以接收所述指示信号。所述第二开关具有第一端、第二端及控制端。所述第二开关的第一端电连接到所述第二晶体管的第二端。所述第二开关的第二端电连接到所述下桥开关的第二端以接收所述输出电压。所述第二开关的控制端电连接到所述负载侦测器以接收所述反相指示信号。所述调节电压在所述第二电阻与所述第二晶体管的共同节点处提供。
本发明电源转换器中，所述负载侦测器还电连接到所述下桥驱动器以接收所述下桥驱动信号，还接收时钟信号，并且根据所述下桥驱动信号及所述时钟信号产生所述指示输出。
本发明电源转换器中，所述指示输出包括指示信号及反相指示信号。在所述时钟信号的每一个下降缘，所述负载侦测器使所述指示信号的逻辑值互补于所述下桥驱动信号的逻辑值，并且使所述反相指示信号的逻辑值相同于所述下桥驱动信号的逻辑值。
本发明电源转换器中，所述指示输出包括指示信号及反相指示信号，并且所述负载侦测器包括第一反相器、第二反相器及D型正反器。所述第一反相器具有输入端及输出端。所述第一反相器的输入端电连接到所述下桥驱动器以接收所述下桥驱动信号。所述第二反相器具有输入端及输出端。所述第二反相器的输入端接收所述时钟信号。所述D型正反器具有数据输入端、时钟输入端、数据输出端及反相数据输出端。所述D型正反器的数据输入端电连接到所述第一反相器的输出端。所述D型正反器的时钟输入端电连接到所述第二反相器的输出端。所述D型正反器的数据输出端电连接到所述可调式电压调节器，并且提供所述指示信号。所述D型正反器的反相数据输出端电连接到所述可调式电压调节器，并且提供所述反相指示信号。
本发明的有益效果在于：通过所述负载侦测器产生所述指示输出，并且通过所述可调式电压调节器根据所述指示输出产生所述调节电压，所述电源转换器在轻载时能具有较小的开关切换损失、较少的热能产生及较高的转换效率。
附图说明
图1是一个电路方块图，说明现有的电源转换器；
图2是一个电路方块图，说明本发明电源转换器的实施例；
图3是一个电路方块图，说明所述实施例的负载侦测器及可调式电压调节器；
图4是一个时序图，说明所述实施例的操作；
图5是一个示意图，说明所述实施例及现有电源转换器的转换效率对负载电流特性。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
参阅图2，本发明电源转换器1的实施例与一个电感2一起使用以进行升降压转换，从而将一个输入电压VIN转换成一个输出电压VNEG。输入电压VIN具有正的幅值。输出电压VNEG具有负的幅值，并且被供应给一个负载3。输入电压VIN的幅值可以落在3V到5V的范围内，并且输出电压VNEG的幅值可以落在-7V到-4V的范围内，但是本发明不限于此。本实施例的电源转换器1可以被安装在一个电子设备(例如笔记本电脑、计算机显示器或电视机)中，并且输出电压VNEG可以被供应给电子设备的至少一个部件(例如液晶面板及/或用于驱动液晶面板的源驱动器)，但是本发明不限于此。
本实施例的电源转换器1包括一个上桥开关11、一个下桥开关12、一个下桥驱动器13、一个负载侦测器14、一个可调式电压调节器15及一个上桥驱动器16。
上桥开关11(例如P型金属氧化物半导体场效应晶体管)具有一个第一端(例如源极端)、一个第二端(例如漏极端)及一个控制端(例如栅极端)。上桥开关11的第一端接收输入电压VIN。上桥开关11的第二端适用于电连接到电感2。上桥开关11的控制端接收一个上桥驱动信号Vgp。电感2还电连接到地。当上桥开关11导通时，电感2存储来自提供输入电压VIN的一个电源供应器(图未示)的能量。
下桥开关12(例如N型金属氧化物半导体场效应晶体管)具有一个第一端(例如漏极端)、一个第二端(例如源极端)及一个控制端(例如栅极端)。下桥开关12的第一端电连接到上桥开关11的第二端。下桥开关12的第二端适用于电连接到负载3，并且提供输出电压VNEG。下桥开关12的控制端接收一个下桥驱动信号Vgn。负载3还电连接到地。当下桥开关12导通时，电感2将其存储的能量释放给负载3。
下桥驱动器13电连接到下桥开关12的第二端以接收输出电压VNEG，还电连接到下桥开关12的控制端，并且还接收一个电压VA。电压VA的幅值比输出电压VNEG的幅值大一个预定量(例如5V)。下桥驱动器13产生在输出电压VNEG与电压VA间切换的下桥驱动信号Vgn给下桥开关12的控制端接收，来控制下桥开关12在不导通与导通间的切换。
负载侦测器14侦测本实施例的电源转换器1是轻载还是重载，以产生一个指示输出。
可调式电压调节器15电连接到负载侦测器14以接收指示输出，并且根据指示输出产生一个调节电压Vauto_ctrl。调节电压Vauto_ctrl的幅值小于输入电压VIN的幅值，并且在指示输出指示本实施例的电源转换器1轻载时较大，而在指示输出指示本实施例的电源转换器1重载时较小。
上桥驱动器16电连接到可调式电压调节器15以接收调节电压Vauto_ctrl，还电连接到上桥开关11的控制端，并且还接收输入电压VIN。上桥驱动器16产生在输入电压VIN与调节电压Vauto_ctrl间切换的上桥驱动信号Vgp给上桥开关11的控制端接收，来控制上桥开关11在不导通与导通间的切换。
参阅图3及图4，在本实施例中，下桥驱动器13及上桥驱动器16各自是一个缓冲器。在一个时钟信号CLK的每一个下降缘，上桥驱动信号Vgp从输入电压VIN切换到调节电压Vauto_ctrl，因此上桥开关11从不导通切换到导通，然后流过电感2的一个电流iL(以下称为电感电流iL)的幅值逐渐增大。从时钟信号CLK的下降缘开始经过一个时间间隔后，上桥驱动信号Vgp从调节电压Vauto_ctrl切换到输入电压VIN，因此上桥开关11从导通切换到不导通。时间间隔比时钟信号CLK的周期短，并且在本实施例的电源转换器1轻载时较短，而在本实施例的电源转换器1重载时较长。在上桥驱动信号Vgp每一次从调节电压Vauto_ctrl切换到输入电压VIN时，下桥驱动信号Vgn从输出电压VNEG切换到电压VA，因此下桥开关12从不导通切换到导通，然后电感电流iL的幅值逐渐减小。当本实施例的电源转换器1轻载时，电源转换器1操作在一个不连续导通模式，并且在电感电流iL的幅值减小到零时，下桥驱动信号Vgn从电压VA切换到输出电压VNEG，因此下桥开关12从导通切换到不导通。当本实施例的电源转换器1重载时，电源转换器1操作在一个连续导通模式，并且在时钟信号CLK的每一个下降缘，下桥驱动信号Vgn从电压VA切换到输出电压VNEG，因此下桥开关12从导通切换到不导通。
在本实施例中，负载侦测器14还电连接到下桥驱动器13以接收下桥驱动信号Vgn，还接收时钟信号CLK，并且根据下桥驱动信号Vgn及时钟信号CLK产生指示输出。具体来说，指示输出包括一个指示信号DCM及一个反相指示信号DCMB。反相指示信号DCMB的逻辑值互补于指示信号DCM的逻辑值。此外，负载侦测器14包括一个第一反相器141、一个第二反相器142及一个D型正反器143。第一反相器141具有一个输入端及一个输出端。第一反相器141的输入端电连接下桥驱动器13以接收下桥驱动信号Vgn。第二反相器142具有一个输入端及一个输出端。第二反相器142的输入端接收时钟信号CLK。D型正反器143具有一个数据输入端、一个时钟输入端、一个数据输出端及一个反相数据输出端。D型正反器143的数据输入端电连接到第一反相器141的输出端。D型正反器143的时钟输入端电连接到第二反相器142的输出端。D型正反器143的数据输出端提供指示信号DCM。D型正反器143的反相数据输出端提供反相指示信号DCMB。因此，在时钟信号CLK的每一个下降缘，负载侦测器14使指示信号DCM的逻辑值互补于下桥驱动信号Vgn的逻辑值，并且使反相指示信号DCMB的逻辑值相同于下桥驱动信号Vgn的逻辑值。当本实施例的电源转换器1轻载时，下桥驱动信号Vgn在时钟信号CLK的各个下降缘为逻辑值“0”(对应输出电压VNEG)，因此指示信号DCM及反相指示信号DCMB分别保持在逻辑值“1”及逻辑值“0”。当本实施例的电源转换器1重载时，下桥驱动信号Vgn在时钟信号CLK的各个下降缘为逻辑值“1”(对应电压VA)，因此指示信号DCM及反相指示信号DCMB分别保持在逻辑值“0”及逻辑值“1”。
在本实施例中，可调式电压调节器15还电连接到下桥开关12的第二端以接收输出电压VNEG，还电连接到一个端点以接收一个参考电压，并且还接收输入电压VIN。参考电压可以是地电压。当指示输出指示本实施例的电源转换器1轻载时(也就是说指示信号DCM及反相指示信号DCMB分别在逻辑值“1”及逻辑值“0”)，可调式电压调节器15由输入电压VIN相对于地电压来供电。当指示输出指示本实施例的电源转换器1重载时(也就是说指示信号DCM及反相指示信号DCMB分别在逻辑值“0”及逻辑值“1”)，可调式电压调节器15由输入电压VIN相对于输出电压VNEG来供电。具体来说，可调式电压调节器15包括一个第一电阻151、一个第二电阻152、一个第一晶体管153、一个第二晶体管154、一个电流源155、一个第一开关156及一个第二开关157。第一电阻151具有一个第一端及一个第二端。第一电阻151的第一端接收输入电压VIN。第二电阻152具有一个第一端及一个第二端。第二电阻152的第一端接收输入电压VIN。第一晶体管153(例如P型金属氧化物半导体场效应晶体管)具有一个第一端(例如源极端)、一个第二端(例如漏极端)及一个控制端(例如栅极端)。第一晶体管153的第一端电连接到第一电阻151的第二端。第一晶体管153的控制端电连接到第一晶体管153的第二端。第二晶体管154(例如P型金属氧化物半导体场效应晶体管)具有一个第一端(例如源极端)、一个第二端(例如漏极端)及一个控制端(例如栅极端)。第二晶体管154的第一端电连接到第二电阻152的第二端。第二晶体管154的控制端电连接到第一晶体管153的控制端。电流源155电连接在第一晶体管153的第二端与第二晶体管154的第二端间，并且产生从第一晶体管153的第二端流到第二晶体管154的第二端的一个电流。第一开关156具有一个第一端、一个第二端及一个控制端。第一开关156的第一端电连接到第二晶体管154的第二端。第一开关156的第二端电连接到地以接收地电压。第一开关156的控制端电连接到负载侦测器14以接收指示信号DCM。当指示信号DCM在逻辑值“1”时，第一开关156导通。当指示信号DCM在逻辑值“0”时，第一开关156不导通。第二开关157具有一个第一端、一个第二端及一个控制端。第二开关157的第一端电连接到第二晶体管154的第二端。第二开关157的第二端电连接到下桥开关12的第二端以接收输出电压VNEG。第二开关157的控制端电连接到负载侦测器14以接收反相指示信号DCMB。当反相指示信号DCMB在逻辑值“1”时，第二开关157导通。当反相指示信号DCMB在逻辑值“0”时，第二开关157不导通。调节电压Vauto_ctrl在第二电阻152与第二晶体管154的一个共同节点处提供。因此，当指示输出指示本实施例的电源转换器1轻载时，调节电压Vauto_ctrl的幅值等于地电压的幅值(也就是说调节电压Vauto_ctrl的幅值为0V)。当指示输出指示本实施例的电源转换器1重载时，调节电压Vauto_ctrl的幅值小于地电压的幅值并且大于输出电压VNEG的幅值(此时，第一晶体管153及第二晶体管154一起作为一个共栅放大器，使得第二电阻152的第二端上的电压相同于第一电阻151的第二端上的电压。也就是说调节电压Vauto_ctrl的幅值为VIN-I×R，其中，“I”表示电流源155所产生的电流，“R”表示第一电阻151的电阻值，并且VIN<I×R<VIN-VNEG)。如图4所示，在VIN＝3.3V并且I×R＝5V的范例中，VIN-I×R＝-1.7V。
由于上桥开关11的第一端与控制端间的一个电压Vsg在指示输出指示本实施例的电源转换器1轻载时的摆动较小，而在指示输出指示本实施例的电源转换器1重载时的摆动较大，所以本实施例的电源转换器1的开关切换损失在指示输出指示本实施例的电源转换器1轻载时可以被降低，从而降低本实施例的电源转换器1的热能产生，并且提高本实施例的电源转换器1的转换效率。
参阅图1、图3及图5，图5说明本实施例的电源转换器1及现有的电源转换器91的转换效率对负载电流特性，其中，一个负载电流iLoad(其是电感电流iL在时钟信号CLK的每一个周期中的平均值)落在0mA到200mA的范围内。可以从图5合理地确定，当本实施例的电源转换器1及现有的电源转换器91都轻载时，本实施例的电源转换器1比现有的电源转换器91具有更好的转换效率。
归纳上述，在本实施例中，通过负载侦测器14侦测电源转换器1是轻载还是重载来产生指示输出，并且通过可调式电压调节器15使调节电压Vauto_ctrl的幅值在指示输出指示电源转换器1轻载时较大而在指示输出指示电源转换器1重载时较小，与现有的电源转换器91相比，电源转换器1在轻载时可以具有较小的开关切换损失、较少的热能产生及较高的转换效率。

Claims (7)

1.一种电源转换器，其特征在于：其包含：
上桥开关，具有第一端、第二端及控制端，所述上桥开关的第一端接收输入电压，所述上桥开关的第二端适用于电连接到电感，所述上桥开关的控制端接收上桥驱动信号；
下桥开关，具有第一端、第二端及控制端，所述下桥开关的第一端电连接到所述上桥开关的第二端，所述下桥开关的第二端适用于电连接到负载，并且提供输出电压，所述下桥开关的控制端接收下桥驱动信号；
下桥驱动器，电连接到所述下桥开关的控制端，并且产生所述下桥驱动信号给所述下桥开关的控制端接收；
负载侦测器，产生指示输出；
可调式电压调节器，电连接到所述负载侦测器以接收所述指示输出，并且根据所述指示输出产生调节电压；及
上桥驱动器，电连接到所述可调式电压调节器以接收所述调节电压，还电连接到所述上桥开关的控制端，还接收所述输入电压，并且产生所述上桥驱动信号。
2.根据权利要求1所述的电源转换器，其特征在于：所述可调式电压调节器还电连接到所述下桥开关的第二端以接收所述输出电压，并且还接收所述输入电压及参考电压。
3.根据权利要求2所述的电源转换器，其特征在于：当所述指示输出指示所述电源转换器轻载时，所述调节电压的幅值等于所述参考电压的幅值，当所述指示输出指示所述电源转换器重载时，所述调节电压的幅值小于所述参考电压的幅值并且大于所述输出电压的幅值。
4.根据权利要求2所述的电源转换器，其特征在于：所述指示输出包括指示信号及反相指示信号，并且所述可调式电压调节器包括：
第一电阻，具有第一端及第二端，所述第一电阻的第一端接收所述输入电压；
第二电阻，具有第一端及第二端，所述第二电阻的第一端接收所述输入电压；
第一晶体管，具有第一端、第二端及控制端，所述第一晶体管的第一端电连接到所述第一电阻的第二端，所述第一晶体管的控制端电连接到所述第一晶体管的第二端；
第二晶体管，具有第一端、第二端及控制端，所述第二晶体管的第一端电连接到所述第二电阻的第二端，所述第二晶体管的控制端电连接到所述第一晶体管的控制端；
电流源，电连接在所述第一晶体管的第二端与所述第二晶体管的第二端间；
第一开关，具有第一端、第二端及控制端，所述第一开关的第一端电连接到所述第二晶体管的第二端，所述第一开关的第二端接收所述参考电压，所述第一开关的控制端电连接到所述负载侦测器以接收所述指示信号；及
第二开关，具有第一端、第二端及控制端，所述第二开关的第一端电连接到所述第二晶体管的第二端，所述第二开关的第二端电连接到所述下桥开关的第二端以接收所述输出电压，所述第二开关的控制端电连接到所述负载侦测器以接收所述反相指示信号；
所述调节电压在所述第二电阻与所述第二晶体管的共同节点处提供。
5.根据权利要求1所述的电源转换器，其特征在于：所述负载侦测器还电连接到所述下桥驱动器以接收所述下桥驱动信号，还接收时钟信号，并且根据所述下桥驱动信号及所述时钟信号产生所述指示输出。
6.根据权利要求5所述的电源转换器，其特征在于：
所述指示输出包括指示信号及反相指示信号；
在所述时钟信号的每一个下降缘，所述负载侦测器使所述指示信号的逻辑值互补于所述下桥驱动信号的逻辑值，并且使所述反相指示信号的逻辑值相同于所述下桥驱动信号的逻辑值。
7.根据权利要求5所述的电源转换器，其特征在于：所述指示输出包括指示信号及反相指示信号，并且所述负载侦测器包括：
第一反相器，具有输入端及输出端，所述第一反相器的输入端电连接到所述下桥驱动器以接收所述下桥驱动信号；
第二反相器，具有输入端及输出端，所述第二反相器的输入端接收所述时钟信号；及
D型正反器，具有数据输入端、时钟输入端、数据输出端及反相数据输出端，所述D型正反器的数据输入端电连接到所述第一反相器的输出端，所述D型正反器的时钟输入端电连接到所述第二反相器的输出端，所述D型正反器的数据输出端电连接到所述可调式电压调节器，并且提供所述指示信号，所述D型正反器的反相数据输出端电连接到所述可调式电压调节器，并且提供所述反相指示信号。
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